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| 자형(euhedral)으로 자란 지르콘 결정을 현미경으로 관찰한 모습.[1] 이미지를 클릭하면 자세히 볼 수 있다. |
| 지르콘의 성질 | |
| 화학식 | ZrSiO4 |
| 결정계 | 정방정계(Tetragonal) |
| 굳기 | 7.5 |
| 비중 | 4.68 |
| 벽개 | 거의 발달하지 않음[2] |
| 규산염구조 | 독립사면체(Orthosilicate) |
| 결정형 | 각기둥 모양(위 확대 그림이 가장 전형적인 모습) |
| 주요 색상 | 갈색, 적색, 회색, 노란색 등 |
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1. 개요
[ruby(Zircon, ruby= zɜrkən)]규산 지르코늄으로 되어있는 보석
지르콘/저콘/저어콘[3]
규산염사면체를 지르코늄이 이어주면서 만들어지는 단단하고 작은 광물이다. 풍신자석이라는 번역어가 있긴 하지만 학술적으로도 일상어로도 사용되지 않아 사실상 죽은 단어가 되었다.
화성암, 변성암, 퇴적암 모두에게서 발견되는 광물이지만 보통은 크기가 무척 작기 때문에 육안으로 발견되는 경우는 경우는 많지 않다. 보통 지르콘 결정의 크기는 0.1~0.3 mm 정도인데, 잘 자란 것도 보통 1 mm를 잘 넘지 않는다. 편광현미경 상으로도 쌀알 관찰하는 정도로 보이게 된다. 이미지 검색을 해보면 상당히 큰 지르콘 결정들도 볼 수 있는데, 이 경우는 드문 경우로 상대적으로 고철질인 페그마타이트나 카보네타이트 환경에서 보고되어 있다. 암석 성분상 지르코늄은 그리 높은 농도를 보이는 원소도 아닐 뿐더러 지르콘이 주성분 광물이 되는 경우도 없지만, 지질학에서는 매우 중요한 광물이다.
2. 지질학적 배경
지르콘은 지르코늄이 너무 낮은 농도로 있지만 않다면 변성암이나 화성암에서 얼마든지 자라날 수 있다. 보통 지르콘이 가장 흔하게 발견되는 암석은 화강암 계열의 암석이다. 편광현미경을 이용하면 흑운모나 백운모 혹은 결정 경계면에서 쉽게 찾아볼 수 있다.[4]이렇게 크기가 작은데도 불구하고 아주 중요한 광물 취급을 받는 것은 크게 두 가지 정도의 성질 때문이다. 하나는 이 광물이 무척 풍화에 강해서 어지간한 환경에서는 손상되지 않는다는 점이고, 또 하나는 이 광물에서 Zr은 4가 양이온이며 이 자리를 우라늄과 토륨, 하프늄이 쉽게 치환할 수 있다. 보통 Zr, Hf, Th, U은 고준위원소(High Field Strength Elements, HFSEs)라고 부르는 집단에 속한다. 이들은 마그마가 결정을 만들 때 대부분 참여하지 않는다. 액체와 너무 친하기 때문인데, 바로 이 지르콘은 그런 고준위원소를 잘 받아들이는 마그마 속 몇 안되는 광물이다. 그래서 지르콘 내에는 다른 광물과는 비교를 거부할 정도로 고준위원소 농도가 높다.
그런데 우라늄과 토륨, 하프늄은 모두 동위원소 연대측정법에 탁월한 능력을 가진 원소들이다. 특히 그 중에서 우라늄은 포타슘(칼륨)과 함께 현재 가장 정밀한 연대자료를 제공해주는 고정밀연대측정(High-precision geochronology)의 주인공들이다. 그런데 연대측정에서 가장 중요한 것은 연대 초기값에 들어가는 모원소의 농도인데, 흥미롭게도 우라늄이 붕괴하여 만들어지는 납 원소는 4가 양이온이 아니라 1~2가 양이온이다. 더군다나 원자반경에도 차이가 꽤 있다. 그래서 지르콘이 성장할 때 우라늄은 잘 받아들이지만 납은 거의 들어갈 수가 없다.
그래서 지르콘이 성장할 때는 광물 내에 우라늄 농도는 높은데 납은 측정이 힘들 정도로 없다.[5] 그래서 지르콘은 그 안의 우라늄과 납의 원소 농도비를 재면 곧 연대값이 도출된다! 대부분의 동위원소 연대측정 시스템이 초기값에 대한 불확실성 때문에 등연대선(isocrhon)법을 활용해야한다는 점을 생각해보면 어마어마한 이점이다.[6]
더군다나 지르콘은 풍화에 무척 강하고 변질도 잘 받지 않는데다가 심지어 결정이 만들어지는 온도도 매우 높아서 마그마 속에서 생존하기도 한다. 따라서 지르콘은 한번 만들어지면 그 광물을 가졌던 암석이 다시 마그마 속에서 녹아 없어지거나, 정말 오랜 시간 풍화되어서 지르콘이 마모되어 사라져버리지 않는 이상, 처음 만들어진 지질학적 시계를 고장 한번 내지 않고 유지시켜준다. 이는 지질학자에게는 엄청난 것이기 때문에 지금도 매년 지르콘 혹은 지르콘의 연대에 관련된 논문이 쏟아져내리고 있다.[7] 심지어 화성암, 변성암, 퇴적암을 가리지 않고 산출한다. 그리고 변성암의 경우에는 큰 변성 과정을 거치면 지르콘이 녹거나 동화되는 것이 아니라 원래 결정은 대체로 그대로 있고 그 위에 덧자란다. 즉, 지르콘의 원래 연대와 변성 연대 두 가지를 덧붙여 가지게 되는 것이다.
이 놀라운 이점은 옛날부터 과학자들의 구미를 당겼을 뿐만 아니라, 바로 이 광물 덕분에 지구의 진짜 나이를 처음으로 알게 되었다. 1956년 클레어 패터슨이 최초로 지구 나이를 45.5억년으로 발표했을 때 사용한 연대측정 광물이 바로 지르콘이다.[8][9] 즉, 온 세계 사람들이 알고 있는 이른바 '지구의 나이'의 값은 사실 지르콘의 연대자료인 것. 나중에 이 운석 속 지르콘 연대가 정말 지구 나이를 대변해줄 수 있는가에 대해서 반백년 동안 검증을 거쳐왔고, 지금까지 큰 무리가 없는 것으로 확인됐다.[10] 한국에서 가장 오래된 암석이라는 것도 변성암 내에서 발견한 지르콘 연대이다.
3. 상업적 가치
특별한 지질학적 조건에서 지르콘은 크고 아름답게 자라는 것이 보고되어 있다.[11] 지르콘은 석영과 비슷하게 미량원소의 종류에 따라 다채로운 색을 내며 어떤 경우에는 아주 화사한 파란빛이나 분홍빛을 띠기도 한다. 이런 경우에는 보석으로 가치가 충분히 있다. 그리고 이 광물의 높은 비중과 작은 결정 크기, 그리고 어디서나 많다는 점 때문에 지르콘을 모으면 지르콘 모래가 된다. 이 모래는 마모제와 같은 용도로도 사용되고, 필요한 경우에는 이를 재가공해 규소 성분을 없애고 지르콘산화물의 원료가 되기도 한다. 즉, 지르코늄 원소 자체를 얻는 원료 광물이 지르콘이다. 이렇게 얻은 지르콘산화물(ZrO2)은 특별히 (큐빅) 지르코니아 혹은 큐빅 등으로 불린다. 상당한 내구를 가지고 있고 투명하기 때문에 인공 다이아 재료로 사용된다. 색이 있는 지르코니아는 그것대로 유색 보석을 대신하기도 한다. 해당 문서를 참조.[1] 눈썰미가 있는 사람이라면, 그 안에 누대구조(zonning)와 포유물(inclusion)이 들어있다는 걸 알 수 있다. 하나의 작은 결정 안에 수십억 년의 역사가 아로새겨져 있다.[2] 보통은 불규칙 혹은 패각 상의 단구만이 관찰된다.[3] 정식 명칭은 지르콘으로 되어 있긴 하나, 학술 문서에서는 저어콘이라는 표기를 선호한다. 이 때문에, 교양 서적 등에서는 지르콘을 사용하면서도 논문과 같은 전문적인 글에서는 저어콘이 더 많이 등장한다.[4] 편광현미경으로 지르콘을 관찰할 경우 그 주변 광물의 색이 방사형으로 변색되어있는 현상(pleochroic haloes)이 나타나 구분하기 쉬운데, 이는 지르콘이 방사성붕괴하며 방출하는 알파선 등에 의해 주변 광물의 물성이 변형되었기 때문이다.[5] 완전히 없지는 않은데, 이는 안정동위원소를 통한 비율로 계산해서 빼버릴 수 있다.[6] 포타슘을 활용한 아르곤-아르곤 연대도 바로 이 점 때문에 엄청난 정밀도를 제공해준다. 포타슘 시스템에서는 새니딘이라는 장석의 일종이 이상적인 환경을 제공한다.[7] 특히 이 지르콘을 이용한 우라늄-납 연대측정법이 한국에서 각광을 받기 시작한 것은 20세기 후반에 오스트레일리아 국립 대학교(ANU) 연구팀이 이를 고성능으로 분석해줄 수 있는 장비를 개발해내 한국에서 이를 수입하면서부터이다. 한국 오창 과학단지에 그 기계가 1대 있다.[8] 미국 베린저 운석 구덩이의 디아블로 운석 속에 들어 있는 지르콘의 납-납 동위원소 연대측정법을 활용했다.[9] 이 사례는 닐 디그래스 타이슨의 코스모스에서도 방영된 바 있다.[10] 물론 정말 지구의 탄생이 어느 순간부터로 봐야 하는지는 생각해 볼 문제. 각각의 단계에 대한 연대자료는 알고 있지만, 과연 언제부터 소행성에서 지구가 된 것인가?[11] 지질학을 공부해보면 느끼겠지만 그런 화려한 광물은 항상 외국에 있다. 그리고 중국엔 없는 것이 없다